紅外線與超聲波組合定位技術(shù)研究

趙世偉 ZHAO Shi-wei；馬少池 MA Shao-chi；吳書明 WU Shu-ming；林洋 LIN Yang

（中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300）

0 引言

定位技術(shù)是指在所選定的參考坐標(biāo)系中確定目標(biāo)所在的位置，在目標(biāo)跟蹤、運(yùn)動(dòng)體導(dǎo)航、測(cè)繪以及機(jī)械數(shù)字化裝配等多方面有著極其廣泛的應(yīng)用。大范圍的空間目標(biāo)定位通常采用電磁波為媒介實(shí)現(xiàn)的，目前的實(shí)現(xiàn)方案相對(duì)比較成熟，如民航飛機(jī)所裝配的機(jī)載無線電導(dǎo)航系統(tǒng)以及全球定位系統(tǒng)（GPS）等系統(tǒng)都是通過電磁波的方式為飛機(jī)提供實(shí)時(shí)位置信息。

目前研究的小范圍定位技術(shù)的研究主要利用電磁波、紅外線、超聲波等媒介，不同的媒介又有不同的定位方案[1-3]。電磁波定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要有無線局域網(wǎng)（WLAN）模式、超寬帶模式（UWB）以及藍(lán)牙模式（Bluetooth），基本是以探測(cè)無線電波的功率衰減作為定位的參考依據(jù)。此外，還需要增加相應(yīng)支持設(shè)備，費(fèi)用非常昂貴，即使如此所取得的定位誤差依然不能夠令人滿意，如微軟的RADAR系統(tǒng)只有50%的概率將目標(biāo)定位誤差控制在3m以內(nèi)。紅外線定位技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)方式有兩種，紅外感知和紅外成像。紅外感知利用紅外線的收發(fā)過程感知目標(biāo)的方向、角度等位置信息，容易受到光照、不規(guī)則形狀的影響產(chǎn)生盲區(qū)。而紅外成像圖片質(zhì)量差、對(duì)比度低，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)特征點(diǎn)選擇比較困難，定位效果不理想。超聲波廣泛應(yīng)用于小范圍測(cè)距，測(cè)距精度比較高，一般能夠達(dá)到厘米級(jí)、甚至是毫米級(jí)的精度。但是超聲波的是一種球形波，輻射角度較大，方位信息的誤差較大。以上定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案，基本都是采用單一信號(hào)測(cè)量模式，囿于信號(hào)本身的固有屬性，限制定位精度。借鑒組合導(dǎo)航的思想，提出了融合紅外和超聲波的定位技術(shù)方案，充分發(fā)揮紅外線和超聲波信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，提高了定位技術(shù)的精度。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 超聲波工作原理 超聲波是指頻率在20KHz以上聲波。頻率比較高，傳播時(shí)具備一些普通聲波沒有的特點(diǎn)，具有束射和發(fā)射特性，基本上可以沿直線傳播?？諝饨橘|(zhì)中傳播時(shí)，超聲波基本不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾以及有毒氣體的影響，而且在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)，聲速是固定不變的?？諝庵械穆暡▊鞑ニ俣瓤山票硎緸椋?/p>

其中v為超聲波在空氣中的傳播速度，單位為m/s，T為攝氏溫度，單位為℃。從公式（1）可以看出，溫度對(duì)超聲波的傳播速度影響較大。

超聲波換能器，又稱為超聲波探頭，實(shí)質(zhì)上是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，目前最常見的是壓電陶瓷式，利用壓電材料的正、逆壓電效應(yīng)工作。因?yàn)閴弘娦?yīng)是可逆的，所以大多數(shù)超聲波探頭是發(fā)射和接收兼用的。超聲波頻率越高，聲能被吸收衰減也越快，超聲波的傳播距離也就越小，但是超聲波頻率越低，超聲波的傳播方向越分散。大量實(shí)踐證明，小范圍內(nèi)使用40KHz超聲波進(jìn)行定位測(cè)向時(shí)效果最好，圖1是TCT40-16XX型超聲波探頭發(fā)射超聲波時(shí)的方向性圖。并且超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低，易于小型化和集成化。

1.2 紅外線工作原理 紅外線是指波長在760nm～1mm之間的非可見光。由于紅外線的光譜頻率組成單一，單色性很好，亮度高并且具有非常小的光束發(fā)散角，很容易實(shí)現(xiàn)直線傳播，但是由于紅外線的傳播速度為光速，在小范圍內(nèi)應(yīng)用時(shí)受到一定的限制。

圖1 TCT40-16XX壓電式超聲波發(fā)射探頭的方向性圖

在小范圍內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)定位時(shí)，利用紅外信號(hào)和超聲信號(hào)之間巨大的傳播速度差，如圖2所示，其中橫坐標(biāo)為傳輸距離，縱坐標(biāo)為傳輸時(shí)間，以紅外線良好的方向性為基礎(chǔ)，觸發(fā)超聲波測(cè)距，可以充分發(fā)揮紅外線和超聲波兩種信號(hào)的優(yōu)良性能，獲取高精度的位置信息，降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的成本[4]。

圖2 紅外線和超聲波的傳播過程

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

為了驗(yàn)證紅外線和超聲波組合進(jìn)行目標(biāo)定位的情況，我們進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的論證與設(shè)計(jì)，由天線單元、控制單元、顯示單元、運(yùn)動(dòng)單元等組成，如圖3所示。①天線單元，主要由紅外發(fā)射與接收、超聲波發(fā)射與接收兩大部分組成，包括紅外線和超聲波產(chǎn)生、調(diào)制、發(fā)射以及接收信號(hào)的處理等，并提供與控制單元進(jìn)行通信；②控制與顯示單元，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，接收天線單元傳送的信息并進(jìn)行處理，根據(jù)天線單元的測(cè)量情況，控制運(yùn)動(dòng)單元電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，將天線單元轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的方位，進(jìn)行目標(biāo)位置參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)將所獲取的目標(biāo)參數(shù)信息顯示到顯示器上；③運(yùn)動(dòng)控制單元，主要由步進(jìn)電機(jī)、光電式旋轉(zhuǎn)編碼器等部分組成，根據(jù)控制單元的控制命令，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使天線更好的測(cè)量目標(biāo)位置參數(shù)。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案[5-6]天線單元部分主要由紅外模塊、超聲波模塊、補(bǔ)償模塊和天線接口等四部分組成。紅外模塊主要用來確定目標(biāo)所在的準(zhǔn)確方位，實(shí)際上提供的是一個(gè)開關(guān)量，該部分功能的實(shí)現(xiàn)采用SHARP的紅外傳感器，該傳感器采用870±70nm的紅外線，通過檢測(cè)該電壓信號(hào)即可判斷目標(biāo)所在的方位。紅外信號(hào)確定目標(biāo)所在的方位后，超聲波模塊開始測(cè)量目標(biāo)的距離信息。根據(jù)公式（1）可知，由于超聲波的傳播速度受到溫度的影響比較大，補(bǔ)償模塊主要是溫度補(bǔ)償，通過測(cè)量天線單元周圍的環(huán)境溫度，根據(jù)公式（1）的溫度補(bǔ)償關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償模塊采用的溫度傳感器為DS18B20 1-wire高精度數(shù)字式溫度傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，只需要少量的外圍電路就能夠正常工作，而且測(cè)溫范圍寬，在-55℃～125℃之間，傳感器所提供的溫度信息為數(shù)字量，能夠直接讀取，不需要轉(zhuǎn)換。天線接口電路用于將天線單元與系統(tǒng)控制單元之間的通信，將天線所收集的信息發(fā)送給系統(tǒng)控制單元，系統(tǒng)控制單元將控制指令發(fā)送到天線單元。

運(yùn)動(dòng)單元的主要功能是帶動(dòng)天線旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)定位信息的精確測(cè)量，主要由步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器兩部分構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角通過發(fā)射脈沖的數(shù)量和頻率來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)方位的精確測(cè)量使用的是ABZ三相增量式光電編碼器。A、B兩相互差90°電度角的脈沖信號(hào)，也即所謂的兩組正交輸出信號(hào)，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。Z相用作參考零位的標(biāo)志脈沖信號(hào)，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。標(biāo)志脈沖通常用來指示機(jī)械位置或?qū)Ψe累量清零，本系統(tǒng)在初始化階段就是依據(jù)光電編碼器來建立參考坐標(biāo)系。

系統(tǒng)控制單元由MSP430單片機(jī)為核心構(gòu)成，該型單片機(jī)具有豐富的片上外圍模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)串行在線編程、調(diào)試和下載。并且MSP430能夠直接產(chǎn)生PWM，可以直接生成超聲波的發(fā)射信號(hào)；具有串行傳輸口，可以直接將所需顯示的信息上傳顯示器進(jìn)行顯示；具有兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6路I/O口，可以直接與天線模塊、運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行通信，接收紅外、數(shù)字溫度計(jì)、旋轉(zhuǎn)編碼器等模塊信息，并生成控制指令向外輸出。系統(tǒng)顯示模塊采用可編程智能液晶顯示模塊，該顯示模塊已經(jīng)內(nèi)置了液晶顯示器圖形顯示界面控制電路，通過三線串口連接，可利用串行傳輸將需要的信息顯示。該顯示模塊配備了7寸屏幕，分辨率可達(dá)800×480，可輕松實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置信息圖形和數(shù)據(jù)雙顯示，具有顯示簡潔、直觀的特點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案 系統(tǒng)定位主要是需要兩方面的信息：目標(biāo)方位和目標(biāo)距離。為了獲取目標(biāo)位置信息，首先要建立參考坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上目標(biāo)位置信息才能夠得到清晰的表達(dá)。系統(tǒng)的總體流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行總體方案

系統(tǒng)上電后首先對(duì)各單元電路進(jìn)行初始化設(shè)置，并建立以系統(tǒng)所在位置為中心的坐標(biāo)系。參考坐標(biāo)系建立完成后，向運(yùn)動(dòng)控制單元和天線單元發(fā)送指令，對(duì)周圍存在的目標(biāo)進(jìn)行搜索，一旦搜索到目標(biāo)并鎖定后，對(duì)目標(biāo)位置信息進(jìn)行讀取并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，然后進(jìn)行圖形和數(shù)字雙重顯示。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，上述方案在3米以內(nèi)的范圍內(nèi)，能夠?qū)δ繕?biāo)的方位和距離進(jìn)行精確識(shí)別，其中方位和距離的分辨力分別能夠達(dá)到5°和3cm，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

4 結(jié)束語

本文在總結(jié)各種小范圍定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于紅外和超聲波一體化的小范圍定位方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明所獲取的位置精度達(dá)到了令人滿意的效果。這對(duì)于滿足小范圍目標(biāo)定位需求來說，尤其是滿足運(yùn)動(dòng)體導(dǎo)航，如移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃、自動(dòng)引導(dǎo)車輛等方面提供了一種新的思路。

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